11 Стандартные электродные потенциалы в водных растворах при 25 °с

Реакция	Φ0, В
K+ +е = K	–2,92
Ва2+ + 2е = Ва	–2,91
Na+ +е = Na	–2,71
Mg2+ + 2е = Mg	–2,36
Al3+ + 3е = Al	–1,66
Mn2+ + 2е = Mn	–1,18
Zn2+ + 2е = Zn	–0,76
Cr3+ + 3е = Cr	–0,74
Fe2+ + 2е = Fe	–0,44
Cd2+ + 2е = Cd	–0,40
Ni2+ + 2е = Ni	–0,25
Pb2+ + 2е = Pb	–0,13
H+ + е = 1/2 H2	0,00
Cu2+ + 2е = Cu	0,34
Ag+ + е = Ag	0,80
Hg2+ + 2 е = Hg	0,85

П р и м е р 118 Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. магниево-цинкового гальванического элемента, в котором [Mg²⁺] = [Zn²⁺] = 1моль/дм³. Какой металл является анодом, какой катодом?

Решение Схема данного гальванического элемента:

(–) Mg |Mg²⁺||Zn²⁺ | Zn (+).

Магний имеет меньший потенциал (–2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс Mg⁰ −2е → Mg²⁺ . Цинк, потенциал которого –0,76 В – катод, т.е. электрод на котором протекает восстановительный процесс Zn²⁺ + 2е → Zn⁰. Уравнение окислительно-восстановительной реакции, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов Mg + Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn. Для определения э.д.с. гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 г-ион/дм³, то э.д.с. элемента равна разности стандартных электродных потенциалов двух его электродов.

Поэтому э.д.с. = φ⁰ Zn²⁺/Zn - φ⁰ Mg²⁺/Mg =

= -0.76 – (-2.37) = 1.61 В

П р и м е р 119 Гальванический элемент состоит из металлического цинка, погруженного в 0,1 М раствор нитрата цинка, и металлического свинца, погруженного в 0,02 М раствор нитрата свинца. Вычислите э.д.с. элемента, напишите уравнения электродных процессов, составьте схему элемента.

Решение Чтобы определить э.д.с. элемента, необходимо вычислить электродные потенциалы. Для этого находим значения стандартных электродных потенциалов систем Zn²⁺/Zn (–0,76 В) и Pb²⁺/Pb (–0,13 В), а затем рассчитываем значения φ по уравнению Нернста:

φ = φ⁰ + (0,059/n) lgс, (6.3.2)

где φ^о – стандартный электродный потенциал; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация (при точных вычислениях – активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/дм³, т.е.:

lg0,1 = -0,76 + 0,030(-1) = -0,79 В;

lg0,02 = -0,13 + 0,030(-1,7) = -0,18В;

Находим э.д.с. (Е) элемента:

Е =

Поскольку φ Pb²⁺/Pb > φ Zn²⁺/Zn, то на свинцовом электроде будет происходить восстановление, т.е. он будет служить катодом:

Pb²⁺ + 2е= Pb.

На цинковом электроде будет протекать процесс окисления

Zn – 2е = Zn²⁺

т.е. этот электрод будет анодом. Схема гальванического элемента имеет следующий вид:

(–)Zn²⁺|Zn ||Pb²⁺|Pb (+)

(0,1 М) (0,02 М).

П р и м е р 120 Определите э.д.с. гальванического элемента Ag|AgNO₃(0,001M )||AgNO₃(0,1M)|Ag. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи при работе этого элемента?

Решение Стандартный электродный потенциал системы Ag⁺/Ag равен 0,80 В. Обозначив потенциал левого электрода через φ₁, а правого – через φ₂, находим:

φ₁ = 0,80 + 0,059lg0,001 = 0,80 + 0,059(-3) = 0,62 В

φ₂ = 0,80 + 0,059lg0,1 = 0,80 + 0,059(-1) = 0,74 В

Вычисляем э.д.с. элемента: э.д.с. = φ₂ - φ₁ = 0,74 – 0,62 = 0,12 В

Поскольку φ₁ < φ₂, то левый электрод будет служить отрицательным полюсом элемента и электроны перемещаются во внешней цепи от левого электрода к правому.

П р и м е р 121 Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта. Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/дм³, а потенциалы кобальта – в растворе с концентрацией 0,1 моль/дм³?

Решение Стандартные электродные потенциалы для никеля и кобальта соответственно равны –0,25 и –0,27 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях по уравнению Нернста:

lg0,001 = -0,339 В;

lg0,1 = -0,307 В;

Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.

П р и м е р 122 Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равным –2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния (моль/дм³).

Решение Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 6.3.2):

–2,41 = –2,37 + (0,059/2) ⋅ lgс,

–0,04 = 0,0295 ⋅ lgс,

lgс = –0,04/0,0295 = –1,3559 = 2,6441,

с(Mg²⁺) = 4,4⋅10^–2 моль/дм³.

П р и м е р 123 После погружения железной пластинки массой 8 г в раствор нитрата свинца(II) объемом 50 см³ (ρ = 1,23 г/см³) с массовой долей 15 % масса соли уменьшилась втрое. Какой стала масса пластинки?

Решение

Fe + Pb(NO₃)₂ = Pb + Fe(NO₃)₂

M(Pb(NO₃)₂) = 331 г/моль; M(Pb)= 207 г/моль; M(Fe) = 56 г/моль.

Количество нитрата свинца(II) составит 0,15⋅50⋅1,23/331 = 0,0278 моль. По условию задачи масса железной пластинки уменьшилась втрое, т.е. концентрация Pb²⁺ составит 0,0278/3 = 0,0092 моль-ионов, а перешло на пластинку 0,0278 – 0,0092 = 0,0186 моль-ионов или 0,0186⋅207 = 3,85 г.

Перешло в раствор Fe²⁺-ионов соответственно 0,0186⋅56 = 1,04 г. Следовательно, масса пластинки будет равна 8,00 – 1,04 + 3,85 = 10,81 г.

П р и м е р 124 Медный стержень массой 422,4 г выдержали в растворе нитрата серебра, после чего его масса составила 513,6 г. Рассчитайте объем израсходованного раствора азотной кислоты (ρ = 1,20 г/см³) с массовой долей 32 %, необходимый для растворения медного стержня после выдерживания его в растворе нитрата серебра.

Решение

1) Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + ↓2Ag

2) 3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O

3) 3Ag + 4HNO₃ = 3AgNO₃ +NO↑ + 2H₂O

M(Сu) = 64 г/моль; М(Ag) = 108 г/моль; M(HNO₃) = 63 г/моль.

Масса выделенного по реакции (1) серебра составит 513,6 – 422,4 = 91,2 г или 91,2/108 = 0,85 моль. Следовательно, в раствор перейдет согласно реакции (1) 0,85/2 = 0,425 моль Cu²⁺ или 0,425⋅64 = 27,2 г.

В растворе останется меди 422,4 – 27,2 = 395,2 г или 395,2/64 = 6,18 моль. На растворение данного количества меди по реакции (2) потребуется 8⋅6,18/3 = 16,475 моль HNO₃. По реакции (3) на растворение 0,85 моль серебра потребуется 4⋅0,85/3 = 1,13 моль HNO₃.

Всего на растворение меди и серебра потребуется 16, 475 + 1,130 = 17,605 моль или 17,605⋅63 = 1109,12 г HNO₃. В расчете на раствор данной концентрации масса раствора кислоты составит 1109,12⋅100/32 = 3466,00 г. Объем кислоты равен 3466,00/1,20 = 2888,3 см³.

П р и м е р 125 Железную пластинку массой 15 г опустили в раствор сульфата меди (ω = 8 %) массой 100 г. Через некоторое время пластинку вынули, промыли и высушили. Масса пластинки оказалась равной 15,3 г. Определите концентрацию (ω, %) веществ в образовавшемся после реакции растворе.

Решение Железо более активный металл и поэтому вытесняет медь из сульфата меди

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.

Образующаяся медь оседает на железной пластинке, которая становится тяжелее, поскольку атомная масса меди больше, чем атомная масса железа. При растворении 1 моль железа (56 г) масса пластинки увеличилась бы на 64 – 56 = 8 г.

По условию задачи масса пластинки увеличилась на 0,3 г. Можно составить пропорцию:

56 г Fe – ∆m = 8 г

х г Fe – ∆m = 0,3 г.

Масса железа, вступившего в реакцию, равна 0,3⋅56/8 = 2,1 г, а число молей железа 2,1/56 = 0,0375 моль. Поскольку все вещества в данной реакции реагируют и получаются в равных количествах (по числу молей), то:

n(CuSO_{4(реагир)}) = n(FeSO_{4(образ)}) = 0,0375 моль.

Найдем массу CuSO₄ в исходном и в конечном растворах:

m(CuSO_4(исх)) = 100⋅0,08 = 8 г; m(CuSO_4(кон)) = 8 – 0,0375⋅160 = 2 г.

Найдем массу FeSO₄ в конечном растворе:

m(FeSO_4(кон)) = 0,0375⋅152 = 5,7 г.

Масса конечного раствора меньше массы исходного раствора на величину изменения массы пластинки (закон сохранения массы веществ) и равна 99,7 г. Далее определяем концентрации солей в образовавшем растворе:

ω(CuSO₄) = 2⋅100/99,7 = 2,01 %;

ω(FeSO₄) = 5,7⋅100/99,7 = 5,72 %.

Задачи

Для решения задач данного раздела использовать значения величин φ⁰ из табл. 11.

585 Какие внешние изменения будут наблюдаться, если в три пробирки с раствором медного купороса внести соответственно небольшие кусочки металлического алюминия, свинца, серебра?

586 Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами:

а) CuSO₄; б) MgSO₄; в) Pb(NO₃)₂;

г) AgNO₃; д) NiSO₄; е) BaCl₂?

Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

587 При какой концентрации ионов Zn²⁺ (моль/дм³) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала?

588 При какой концентрации ионов Cr³⁺ (моль/дм³) значение потенциала хромового электрода становиться равным стандартному потенциалу цинкового электрода?

589 Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23 В. Вычислите концентрацию (моль/дм³) ионов Mn²⁺.

590 Рассчитайте электродные потенциалы магния в растворе хлорида магния при концентрациях (моль/дм³):

а) 0,1; б) 0,01; в) 0,001.

591 При какой концентрации ионов Cu²⁺ (моль/дм³) значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного электрода?

592 Цинковая пластинка массой 10,0 г опущена в раствор сульфата меди(II). После окончания реакции пластинка имела массу 9,9 г. Объясните изменение массы пластинки и определите массу сульфата меди(II), вступившей в реакцию.

593 После того как железную пластинку выдержали в растворе сульфата меди(II), ее масса изменилась на 1,54 г. Определите объем раствора азотной кислоты (ρ = 1,50 г/см³) с массовой долей 96 %, необходимый для снятия меди с пластинки.

594 Масса железного стержня после выдерживания в растворе нитрата меди(II) увеличилась на 1,6 г и составила 23,2 г. Рассчитайте массу растворившегося железа, а также массу меди, выделившаяся после реакции.

595 Какая масса технического железа, содержащего 18 % примесей, потребуется для вытеснения из раствора сульфата никеля(II) никеля массой 7,42 г.

596 В раствор нитрата серебра опущена медная пластинка массой 28,00 г. По окончании реакции масса пластинки оказалась равной 32,52 г. Определите массу нитрата серебра в растворе.

597 Из каких полуэлементов следует составить гальванический элемент с целью получения максимальной э.д.с.:

а) Cu²⁺/Cu и Pb²⁺/Pb;

б) Cr³⁺/Cr и Fe²⁺/Fe;

в) Ni²⁺/Ni и Pb²⁺/Pb?

598 Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. медно-кадмиевого гальванического элемента, в котором [Cd²⁺] = 0,80 моль/дм³, а [Cu²⁺] = 0,01 моль/дм³.

599 Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, в котором серебряные электроды опущены в 0,01 н и 0,1 н растворы нитрата серебра.

600 При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, в котором никелевые электроды опущены в 0,002 н и 0,02 н растворы сульфата никеля.

601 Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы солей с концентрацией [Pb²⁺] = [Mg²⁺] = 0,01 моль/дм³. Изменится ли э.д.с. этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз?

602 Составьте схему, напишите электронные уравнения электронных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Cd²⁺] = [Mg²⁺] = 1 моль/дм³. Изменится ли значение э.д.с., если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/дм³?

603 Составьте схему работы гальванического элемента, образованного железом и свинцом, погруженными в 0,005 М растворы их солей. Рассчитайте э.д.с. этого элемента.

604 Вычислите э.д.с. гальванического элемента, образованного магнием и цинком, погруженными в растворы их солей концентраций 1,8⋅10^–5 и 2,5⋅10^–2 моль/дм³ соответственно и сравните с э.д.с. гальванического элемента, состоящего из магниевой и цинковых пластин, опущенных в растворы солей с концентрацией [Mg²⁺] = [Zn²⁺] = 1 моль/дм³.

605 Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо-никелевого аккумулятора?

606 Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?

607 Гальванический элемент состоит из серебряного электрода, погруженного в 1 М раствор нитрата серебра и стандартного водородного электрода. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции, происходящей при работе гальванического элемента.

608 Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом – анодом.

609 Чтобы посеребрить медную пластину массой 10 г, ее опустили в раствор нитрата серебра (ω = 20 %) массой 250 г. Когда пластину вынули, оказалось, что масса нитрата серебра в растворе уменьшилась на 20 %. Какой стала масса посеребряной пластинки, и какова концентрация оставшегося раствора нитрата серебра.

610 Железную пластинку массой 10 г опустили в раствор (ω = 4 %) нитрата серебра. Через некоторое время пластинку вынули, промыли и высушили. Масса пластинки оказалась равной 12,4 г, а концентрация нитрата серебра в растворе уменьшилась в 4 раза. Определите массу (г) исходного раствора.

611 К раствору (ω = 5 %) хлорида меди(II) массой 200 г добавили цинковую пластинку. Пластинка растворилась полностью. Концентрация раствора хлорида меди уменьшилась в 5 раз. Определите массу (г) растворенной цинковой пластинки.

612 К раствору (ω = 7 %) сульфата меди(II) массой 300 г добавили тонко измельченного цинка массой 4 г. Определите концентрация (ω, %) веществ в полученном растворе.

613 Как изменится масса (г) медной пластинки после ее внесения в раствор (ω = 4 %, ρ = 1,063 г/см³) нитрата серебра объемом 200 см³?

6.4 ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита.

Электрод, на котором при электролизе происходит восстановление, называется катодом, а электрод, на котором осуществляется процесс окисления, – анодом.

Если система, в которой проводят электролиз, содержит различные окислители, то на катоде будет восстанавливаться наиболее активный из них, т.е. окисленная форма той электрохимической системы, которой отвечает наибольшее значение электродного потенциала. Так, при электролизе кислого водного раствора соли никеля при стандартных концентрациях ионов [H⁺] = [Ni²⁺] = 1 моль/дм³ возможно восстановление как иона никеля:

Ni²⁺ + 2e = Ni; φ ₁ = –0,25 B;

так и иона водорода:

2H⁺ + 2e = H₂; φ ₂ = 0 В.

Но поскольку φ ₁ < φ ₂ , то в этих условиях на катоде будет выделяться водород.

Иным будет катодный процесс при электролизе нейтрального водного раствора соли никеля при [H⁺] = 10^–7 моль/дм³.

Здесь потенциал водородного электрода φ ₃ = –0,41 В. В этом случае при концентрации иона никеля (1 моль/дм³) φ ₁ > φ ₃ на катоде будет выделяться и никель.

Как показывает рассмотренный пример, при электролизе водных растворов солей, реакция которых близка к нейтральной, на катоде восстанавливаются те металлы, электродные потенциалы которых значительно положительнее, чем –0,41 В.

Если потенциал металла значительно отрицательнее, чем –0,41 В, то на катоде будет выделяться водород по схеме:

2Н₂О + 2e = Н₂ +2ОН^–.

При значениях электродного потенциала металла, близких к –0,41 В, возможно, в зависимости от концентрации соли металла и условий электролиза, как восстановление металла, так и выделение водорода (или совместное протекание обоих процессов).

Аналогично при наличии в системе, подвергающейся электролизу, нескольких восстановителей, на аноде будет окисляться наиболее активный из них, т.е. восстановленная форма той электрохимической системы, которая характеризуется наименьшим значением электродного потенциала. Так, при электролизе водного раствора сульфата меди с инертными электродами на аноде может окисляться как сульфат-ион:

2SO₄^2- - 2е = S₂O₈^2-; φ⁰₁ = 2,01 В

так и вода:

2Н₂О - 4e = О₂ +4Н⁺; φ ⁰₂ = 1,23 В.

Поскольку φ ⁰₂ << φ⁰₁ , то в данном случае будет осуществляться второй из возможных процессов, и на аноде будет выделяться кислород.

Однако при замене инертного электрода медным становится возможным протекание еще одного окислительного процесса – анодного растворения меди:

Cu – 2 e = Cu²⁺ φ⁰₃ = 0.34B.

Этот процесс характеризуется более низким значением электродного потенциала, чем остальные возможные анодные процессы (φ ⁰₃ << φ⁰₁ и φ ⁰₃ << φ⁰₂). Поэтому при указанных условиях на аноде будет происходить окисление меди.

При электролизе водных растворов нитратов, перхлоратов и фосфатов, как и в случае сульфатов, на инертном аноде обычно происходит окисление воды с образованием свободного кислорода.

П р и м е р 126 Напишите уравнения процессов, происходящих при электролизе водного раствора сульфата натрия с инертным анодом.

Решение Стандартный электродный потенциал системы Na⁺ + e = Na (–2,71 B) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде (–0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

2H₂O + 2e = H₂↑ + 2OH^–,

а ионы Na⁺, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство).

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

2H₂O – 4e = О₂↑ + 4H⁺,

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (2,01 В), характеризующий систему 2SO₄^2- - 2е = S₂O₈^2-. Ионы SO₄^2- , движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.

Умножая уравнение катодного процесса на два и складывая его с уравнением анодного процесса, получаем суммарное уравнение процесса электролиза: 6H₂O = 2Н₂↑ + 4OH^– + О₂↑ + 4H⁺

Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов Na⁺ в катодном пространстве и ионов SO₄^2- в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

6H₂O + 2Na₂SO₄ = 2Н₂↑ + 4 Na⁺ + 4OH^– + О₂↑ + 4H⁺ + 2SO₄^2-

Таким образом, одновременно с выделением водорода и кислорода образуется гидроксид натрия (в катодном пространстве) и серная кислота (в анодном пространстве).

Количественная характеристика процессов электролиза определяется законами, установленными Фарадеем. Им можно дать следующую общую формулировку: масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также масса образующихся на электродах веществ прямопропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и эквивалентным массам соответствующих веществ.

Закон Фарадея выражается следующей формулой:

m = М_эIt / F, (6.4.1)

где m – масса образовавшегося на электродах или подвергшегося превращению вещества, г; М_э – его эквивалентная масса, г/моль; I – сила тока, А (ампер); t – время, с; F – число Фарадея (96 500 Кл/моль), т.е. количество электричества, необходимое для осуществления электрохимического превращения одного эквивалента вещества.

П р и м е р 127 Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на электродах при электролизе водного раствора сульфата меди(II). Какая масса меди выделится на катоде и какой объем кислорода выделится на аноде в течение 1 часа и силе тока равной 4 А?

Решение Электролиз раствора сульфата меди(II):

(–) К: Cu²⁺, H₂O

(+) А: SO₄^2- , H₂O.

Катионы металлов (Cu²⁺ – Au³⁺), имеющие большое значение φ⁰ при электролизе полностью восстанавливаются. Следовательно, на катоде: Cu²⁺ + 2 e = Cu⁰; на аноде окисляются молекулы воды 2H₂O – 4e = O₂↑ + 4H⁺, так как кислородсодержащие анионы окисляются труднее. Общее уравнение:

2CuSO₄ + 2H₂O 2Cu + 2Н₂SO₄ + O₂↑

Эквивалентная масса меди(II) равна 63,54/2 = 31,77 г/моль. Согласно формуле (6.4.1) и условию задачи получим:

m (Cu) = 31,77⋅4⋅3600 / 96 500 = 4,74 г.

Для вычисления объема кислорода, который выделяется на аноде, отношение m / M_э, заменяем отношением VО₂/Vэ(О₂) где −VО₂ объем кислорода, дм³; Vэ(О₂) эквивалентный объем кислорода, 5,6 дм³. Тогда:

VО₂ = Vэ(О₂) ·I·t / 96500 = 5,6·4·3600/96500 = 0,84 дм³

П р и м е р 128 При пропускании тока через последовательно включенные электролизеры с растворами AgNO₃, CuSO₄, ZnCl₂ в первом электролизере на катоде выделилось 1,118 г металлического серебра. Определите массу меди и цинка, выделившихся во втором и третьем электролизерах.

Решение Если через последовательно соединенные электролизеры пропустить одно и тоже количество электричества, то на электродах выделяются эквивалентные количества веществ:

ν(Cu) = ν(Zn) = ν(Ag) = m(Ag) / M_э(Ag) = 1,118/108 = 0,0103 моль;

m(Cu) = ν(Cu)⋅M_э(Cu) = 0,0103⋅32 = 0,331 г;

m(Zn) = ν(Zn)⋅M_э(Zn) = 0,0103⋅32,5 = 0,339 г.

П р и м е р 129 При электролизе раствора ZnSO₄ на катоде выделилось 0,1200 г цинка за 768 с. Какую силу тока необходимо было поддерживать при электролизе, если выход по току составил 90 %?

Решение Выход по току:

η = (m_пр / m_теор)⋅100 % (6.4.2)

m_теор = (m_пр / η) 100 = 0,1200/0,9 = 0,1333 г.

Из уравнения (6.4.1.) находим силу тока:

I = m(Zn)⋅96 500 / 32,5⋅768 = 0,523 A.

П р и м е р 130 При электролизе водного раствора хлорида натрия (ω = 20 %) массой 500 г выделился водород объемом 1,12 дм³ (н.у.). Найдите массы электролитов в растворе после электролиза.

Решение Уравнение электролиза водного раствора хлорида натрия:

2NaCl + 2H₂O H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑

Масса хлорида натрия равна m = 500⋅0,2 = 100 г. Согласно формуле (6.4.1) имеем:

V (H₂) = QV_э (H₂) / 96 500, отсюда Q = V(H₂)⋅96500 / V_э(H₂) = 1,12⋅96 500 / 11,2 = 9650 Кл.

m(NaCl) = 9650⋅58,5 / 96 500 = 5,85 г; m(NaOH) = 40⋅9650 / 96 500 = 4,0 г.

Оставшаяся масса хлорида натрия равна

100,0 – 5,85 = 94,15 г; m(H₂O) = 9⋅9650 / 96 500 = 0,9 г.

П р и м е р 131 При электролизе водного раствора нитрата никеля(II) (ω = 50 %) массой 91,50 г на катоде выделился никель массой 14,75 г. Определите содержание азотной кислоты в растворе (ω, %) после электролиза и объем газа, выделившегося на аноде.

Решение Уравнение электролиза водного раствора нитрата никеля(II)

Ni(NO₃)₂ + 2H₂O Ni + 2HNO₃ + О₂↑+ Н₂↑

M(Ni) = 59 г/моль; М(HNO₃) = 63 г/моль.

Количество никеля, выделенного на катоде равно 14,75/59 = 0,25 моль. Следовательно, по реакции образуется 0,5 моль HNO₃ или 0,5⋅63 = 31,5 г. Количество кислорода составит 0,25 моль 0,25⋅22,4 = 5,6 дм³ или 8,0 г. Такой же объем водорода выделяется на катоде, т.е. 5,6 дм³ или 0,5 г. Масса раствора составит 91,50 – 14,75 – 8,50 = 68,25 г.

Откуда ω(HNO₃) = 31,50⋅100/68,25 = 46,5 %.

Задачи

614 В какой последовательности будут восстанавливаться катионы при электролизе водного раствора, содержащего ионы Cr³⁺, Pb²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, если молярная концентрация соответствующих им солей одинакова, а напряжение на катодах достаточно для восстановления каждого из них?

615 Напишите уравнения реакций катодного и анодного процессов, протекающих на графитовых электродах при электролизе водных растворов:

а) нитрата свинца(II); б) серной кислоты.

616 В каких случаях при электролизе водных растворов солей:

а) на катоде выделяется водород;

б) на аноде выделяется кислород;

в) состав электролита не изменяется?

617 При электролизе водных растворов каких солей на катоде происходит:

а) восстановление только катионов металлов;

б) одновременное восстановление катионов металла и воды;

в) восстановление только воды?

618 Вычислите массу водорода и кислорода, образующихся при прохождении тока силой 3 А в течение 1 ч через раствор NaNO₃.

619 Определите массу выделившегося железа при прохождении тока силой 1,5 А в течение 1 ч через растворы сульфата железа(II) и хлорида железа(III) (электроды инертные).

620 При прохождении через раствор электролита тока силой 0,5 А за 1 ч выделяется 0,55 г металла. Определите эквивалентную массу металла.

621 Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на электродах при электролизе растворов:

а) CuSO₄ с медным анодом;

б) NiSO₄ с никелиевым анодом;

в) AgNO₃ с серебряным анодом.

622 В течение какого времени необходимо пропускать ток силой 1 А при электролизе водного раствора сульфата хрома(III), чтобы масса катода возросла на 10 г? Какой объем (н.у.) кислорода выделился на аноде?

623 Электролиз водного раствора хлорида никеля(II), содержащего соль массой 129,7 г проводили при токе силой 5 А в течение 5,36 ч. Сколько хлорида никеля(II) осталось в растворе и какой объем хлора (н.у.) выделился на аноде?

624 При электролизе водного раствора нитрата серебра в течение 50 мин при токе силой 3А на катоде выделилось серебро массой 9,6 г. Определите выход по току (η, %).

625 При электролизе водного раствора нитрата никеля(II) (ω = 50 %) массой 113,30 г на катоде выделился металл массой 14,75 г. Определите объем газа (н.у.), выделившегося на аноде и массу оставшегося нитрата никеля(II) после электролиза.

626 После электролиза водного раствора хлорида натрия получили раствор, в котором содержится NaOH массой 20 г. Газ, выделившийся на аноде, полностью прореагировал с раствором иодида калия массой 332 г. Определите содержание иодида калия (ω, %) в растворе.

627 При электролизе водного раствора хлорида калия на катоде выделился водород объемом 13,44 дм³ (н.у.). Газ, выделившийся на аноде, полностью окислил раскаленную медную проволоку массой 38,4 г. Определите мольную массу меди.

628 Электролиз водного раствора сульфата калия проводили при токе силой 5 А в течение 3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде и аноде?

629 При электролизе водных растворов сульфата магния и хлорида меди(II), соединенных последовательно с источником тока, на одном из катодов выделился водород массой 0,25 г. Вычислите массу веществ, выделившихся на других электродах.

630 Какая масса серной кислоты, образуется в анодном пространстве при электролизе водного раствора сульфата натрия, если на аноде выделился кислород объемом 1,12 дм³ (н.у.)? Вычислите массу вещества, выделившегося на катоде.

631 Электролиз водного раствора сульфата цинка проводили в течение 5 ч, при этом на аноде выделился кислород объемом 6 дм³ (н.у.). Вычислите силу тока (электроды инертные).

632 Электролиз водного раствора нитрата серебра проводили при токе силой 2А в течение 4 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на инертных электродах. Какая масса металла выделилась на катоде и каков объем газа (н.у.), выделившегося на аноде?

633 Электролиз водного раствора сульфата некоторого металла проводили при токе силой 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделился металл массой 5,49 г. Вычислите эквивалентную массу металла.

634 Как изменится масса серебряного анода, если электролиз водного раствора нитрата серебра проводили при токе силой 2 А в течение 33 мин 20 с? Составьте электронные уравнения процессов, происходящих при электролизе водного раствора нитрата серебра.

635 Электролиз водного раствора иодида натрия проводили при токе силой 6 А в течение 2,5 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах, вычислите массу веществ, выделяющихся на электродах.

636 Составьте электронные уравнения процессов, происходящих при электролизе водного раствора нитрата серебра с серебряным анодом. Масса анода уменьшается на 5,4 г. Определите расход электричества при этом.

637 При электролизе водного раствора сульфата меди(II) при токе силой 2,5 А в течение 15 мин выделилась медь массой 0,72 г. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах с медным и угольным анодами. Вычислите выход по току (η, %).

638 При электролизе расплава неизвестного вещества массой 8 г на аноде выделился водород объемом 11,2 дм³ (н.у.). Что это за вещество? Можно ли провести электролиз его водного раствора?

639 При электролизе с инертными электродами 150 см³ раствора хлорида калия с массовой долей 5 % (ρ = 1,05 г/см³) током силой 5 А в течение 32 мин 10 сек у анода выделился газ объемом 1,12 дм³ (н.у.). Определите концентрацию щелочи в образовавшемся растворе (ω, %).

640 Через раствор сульфата цинка(II) в течение 45,03 мин пропускали постоянный ток. Определите силу тока, если известно, что на катоде и аноде выделились одинаковые объемы газов, а масса одного электрода увеличилась на 1,1 г. Электроды инертные.

641 Электролиз 200 см³ раствора сульфата меди(II) с массовой долей 6 % (ρ = 1,02 г/см³) продолжали до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 5 г. Какая масса сульфата меди(II) осталась в растворе после электролиза?

642 Через электролизер, заполненный водным раствором хлорида калия пропустили постоянный ток (электроды инертные), в результате чего масса раствора уменьшилась на 1,58 г. Для нейтрализации оставшегося раствора был израсходован раствор серной кислоты (ω = 8 %) массой 20,0 г. Какова масса газообразных продуктов, образовавшихся при электролизе?

643 После электролиза водного раствора хлорида калия масса его уменьшилась на 2,16 г. Оставшаяся смесь прореагировала полностью с раствором соляной кислоты (ω = 10 %) массой 12,6 г. Составьте уравнения электродных процессов и найдите массу каждого продукта, образовавшегося при электролизе.

644 При электролизе водного раствора хлорида натрия на катоде выделился водород объемом 13,44 дм³ (н.у.). Газ, выделившийся на аноде, пропущен через горячий раствор едкого калия, при этом образовались хлорид и хлорат калия. Рассчитайте массу образовавшихся солей.

645 Смешали раствор хлорида меди(II) с массовой долей 20 % массой 135 г с раствором нитрата серебра с массовой долей 10 % массой 680 г. При этом образовался осадок массой 57,4 г. Оставшийся раствор слили и подвергли электролизу. Определите количественный состав веществ, выделившихся на электродах.

646 Через два последовательно соединенных электролизера пропустили ток (электроды инертные). Первый электролизер заполнен раствором нитрата серебра и масса катода данного электролизера увеличилась на 4,32 г. Как изменится масса раствора во втором электролизере, если он был заполнен раствором NaOH?

647 При электролизе с инертными электродами раствора КОН (ω = 20 %, ρ = 1,22 г/см³) объемом 200 см³ на аноде собрали газ объемом 11,2 дм³ (н.у.). Определите массовую долю (ω, %) раствора КОН, оставшегося после электролиза.

648 При электролизе с инертными электродами раствора нитрата меди(II) (ω = 50 %) массой 188 г на катоде выделился металл массой 19,2 г. Определите объем газа (н.у.), выделившегося на аноде.

649 Анодный продукт электролиза расплава 6 моль КСl полностью реагирует с необходимым количеством железа при 300 °С. Определите массу (г) конечного продукта.

650 Электролиз раствора хлорида натрия (ω = 20 %) массой 400 г был остановлен, когда на катоде выделился газ объемом 11,2 дм³ (н.у.). Определите степень разложения (%) исходной соли.

651 Провели электролиз раствора сульфата хрома(III) (ω = 10 %) массой 200 г до полного расходования соли (на катоде выделяется металл). Определите массу (г) израсходованной воды.